JPH0230336A - 金属管の拡管方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、金属管を非円形の断面形状下に拡管するに当
っての、改善された拡管手段の提供に関するものである
。

（従来の技術） 各種金属管は、種々の熱交換器や機械フレーム等に大量
に汎用されていることは既知である。また近年は、自動
車車体部品の中の構造部材を軽量にするため、薄鋼板を
プレス成形し、スポット溶接で部品を製造していたもの
や、中実棒鋼に代って、中空材（バイブ材）が使用され
ている。更には車体の軽量化や部品強度向上を目的とし
て、使用部材を高強度化し、板厚を薄くすることで車体
重量の軽減をし、燃費向上を図るといった努力がなされ
ている。上記のような部材に使用される金属音は、その
ままの状態で使用されることは少なく、曲げ加工を受け
たり、他の部材と接合するため部分的に管径が縮少ある
いは拡大されたり、あるいは異形断面形状に加工された
りする場合が多い。その中でも管径を拡大する拡管加工
では、断面形状が大きくなることにより、周方向に材料
が伸び変形を受け、その変形量が大きくなると破断を生
じる問題があり、例えば四角形断面等の異形断面形状へ
の拡管加工は、特にその断面形状における各隅角（コー
ナ）凸部がシャープな程、断面形状凸部での周方向伸び
変形は、拡管時に変形が凸部に集中するため大きくなり
、破断が発生し易く、その拡管率は低く抑えられるのが
通例である。

しかも高強度金属管を使用する場合には、金属素管の延
性が低いため、その拡管率は更に低くなる。

また溶接管の場合には溶接部近傍が断面形状凸部に位置
し、そこに大きな変形が加わると、加工はきわめて困難
である。

前述したように、軽量化のためには、高強度材を使用し
て板厚を薄くシたり、断面寸法を小さくする必要がある
。このような金属管を用いる場合、限界拡管率を高める
ことが必要となってくる。しかし材料の延性を高め拡管
限界を高めることにも限界がある。

従来金属管に対する拡管方法としては、第１３ａ図乃至
第１３ｇ図に亘って例示するように各種の手段があり、
これら各手段について何れもその概要を説示する（詳細
は日刊工業新聞社発行「パイプ加工法」参照）。即ち第
１３ａ図に示したものはロールエキスパンダニ具５０を
用い、マンドレルを回転させなから管壁５１を内側より
外側に押し拡げ、平行に拡管するもので、既知のように
拡開圧着に多用されている手段である。第１３ｂ図に示
したものは、円錐状の先端５２を持った各サイズのポン
チ５３を用い、これらポンチ５３を金属管の軸方向に押
し込んで拡管する最も一般的なものであり、また第１３
ｃ図に示したものは、剖り型タイプポンチによるもので
、割り型５４にパイプを被嵌し、マンドレル５５のテー
バ部を割り型５４内に押し込んで割り型５４を開拡して
拡管させるものである。第１３ｄ図および第１３ｅ図に
示したものは、何れもバルジ加工による方法であり、第
１３ｄ図に示したものは金属管５６内に加圧液体５７を
供給し、また第１３ｅ図に示したものはゴム５８を入れ
、軸方向に圧縮した時、９０°方向へのゴム５８、加圧
液体５７の拡がりにより拡管させるものであり、また第
１３ｆ図および第１３ｇ図に示したものは、金属管５９
内にダイナマイト等の爆発物６０を入れ、その爆発力に
よって拡管させるものである。しかしながらこの従来技
術については、何れも次のようにそれぞれ問題点が存在
する。

（発明が解決しようとする課題） 即ち第１３ａ図に示した方法は、工具を軸回りに回転さ
せながら拡管を行なうため、回転対称形状、つまり円形
断面形状への拡管には用いられるが、非円形の異形断面
形状（例えば多角形断面等）への拡管加工には使用でき
ないのである。また第１３ｂ図に示したポンチ方式のも
のでは、ポンチの断面形状を所定断面の最終形状とする
ことにより、非円形の異形断面形状への拡管は可能では
あるが、１加工工程では余り大きな拡管率を採用するご
とが出来ないのであり、また複数の加工工程を用いたと
しても、異形断面形状における各コーナ（隅角凸部）が
接触する部位の周方向変形が増すため、１工程加工より
も限界拡管率は向上するが、それ程多くは期待できない
。第１３ｃ図に示したものは、割り型における型割れ目
のために、不必要な断面形状凸部が生じる可能性があり
、更に工具の凸部が接触する部位に周方向伸び変形が集
中し、拡管率が余り大きく取れない点に問題がある。ま
た第１３ｄ’、１３ｅ図に示したバルジ方式のものでは
、ゴムの摩耗が激しかったり、加圧液体を逃がさないよ
うにするため、必要金型構造が複雑になり、コスト高を
招来する。またこの方式では所定の最終断面形状を得る
ためには、金属管の外側に最終断面形状を有するダイス
の設置が必要であり、機構的に複雑である。更に第１３
ｆ、１３ｇ図に示したものにおいては、爆発物の位置が
狂うと、正規の形状加工はできないし、法規により作業
上の制限を受けるので制約が多く、一般工場での使用は
不可能である。以上のように見てくると、従来の拡管加
工技術の内で、異形断面形状への拡管が可能なものは、
第１３ｂ図、第１３ｃ図、第１３ｄ、第１３ｅ各図に示
したものであるが、何れも生産性が悪く、拡管限界が低
く、金型構造、機構が複雑でコスト高を生じる等の点に
おいて問題点が残るのである。

（課題を解決するための手段） 本発明は上記の問題点を解決し、金属管を特に非円形の
異形断面形状に拡管加工するに当り、加工工程が少なく
、破断の発生がなく、生産性が良好であるとともに、大
きな限界拡管率が得られる拡管加工手段の実現を可能と
したものであり、具体的には、金属管を円形以外の異形
断面形状のもとに拡管するに当り、拡管のための所要断
面形状をもつ工具を金属管内に強制挿入して、かつ少な
くとも２回以上の拡管加工工程を経由してその拡管を行
なうとともに、１回目の拡管加工工程においては前記金
属管を円形断面形状の拡径管または異形断面形状の拡径
管に加工し、２回目以降の拡管加工工程において前記円
形断面形状拡径管または異形断面形状拡径管内に、所定
異形断面形状の拡管工具を挿入し、異形断面形状拡径管
においては、該工具における断面形状凸部が、１回目の
拡管加工時における異形断面形状工具における断面形状
凸部の接触した管内面と異なる位置に接触され、両波径
管に対する最終断面形状をもつ拡管を行なうことにあり
、更には１回目の拡管加工工程において、円形断面形状
の拡管加工を行なうに当り、円形断面形状の拡管工具に
より、最終断面周長の９０〜９５％を拡管することにあ
る。

（作　用） 本発明の上記した技術的手段によれば、第１図乃至第５
図において、第１図に示した円形断面形状である金属管
１を、第２図に示した非円形の、例えば図示の四角形断
面等の、異形断面形状の内径面２ａを、その四隅角部（
コーナ）における凸部２ｂとともにもつ管２に拡管する
に当り、第３図乃至第５図に亘って例示するように、金
−層管１の内側にプレス等の圧力手段を介し、図示省略
しであるが、所要の四角形断面形状とされたポンチ等の
拡管工具を強制挿入し、金属管１の断面形状における全
体周長の増大、即ち拡管加工を行なう加工工程を、少な
くとも２回以上の加工工程を掛けるのである。第４図は
その１回目の加工工程を示したものであり、金属管１は
四角形の異形断面形状拡径管１ａに形成される。同図に
おいて示した４個の点Ｐ１は、即ち拡管工具における四
角形断面における四隅角部（コーナ）に形成される凸部
の接触点を示しており、これにより同拡径管１ａにはそ
れぞれ対応して凸部１ｂが適宜曲率の曲面形状下に図示
のように形成されるのであり、第２回目の拡管加工工程
においては、第５図に示すように、異形断面形状拡径管
１ａに対し、所定もしくは最終異形断面形状とされた拡
管工具を（図示省略）を強制挿入するに際し、図示のよ
うにその拡管工具における四角形断面の四隅角部（コー
ナ）における凸部を、図示の接触点Ｐ２で示すように、
前回の拡管加工において示した接触点Ｐ、と相違させ（
回倒では凸部１ｂ、　ｌｂの各中間点位置）で、その拡
管加工を行なうことを反復して、第２図において示した
目的の拡管された管２を得るようにするのである。この
ように少なくとも２回以上の複管加工工程を経由し、か
つ異形断面形状拡径管１ａに対し、各加工工程毎に拡管
工具における凸部の接触点を相違させることによって、
拡管加工により生じる断面周方向における伸びひずみを
断面周長の全域で負担させ、局所的にひずみの増大、集
中することを防ぐことにより、破断により定まる拡管限
界を高めることができるのである。このさい１回目の加
工工程において、第４図に示した異形断面形状拡径管１
ａとしである程度拡管する代りに、第８図乃至第１Ｏ図
に亘って示すように、第８図に示した金属管１を、第９
図に示すように、１回目の拡管加工工程においては、円
形断面形状の拡管工具を用いて最終断面周長の９０〜９
５％程度まで拡管した円形断面形状拡径管１ｃとし、２
回目乃至以降の加工工程において、第１０図に示すよう
に、所定乃至最終の異形断面形状とされた拡管工具（図
示省略）を前記拡径管１ｃ内に強制挿入し、先に示した
第３図乃至第５図の場合と同様に、その拡径工具におけ
る四角形断面形状の四隅角部（コーナ）の各凸部による
凸部１ｂの４個を備えた異形断面形状の拡径管２を同様
に得ることができる。このように１回目の拡管加工にお
いて、円形断面形状の拡管工具を用いて円形断面形状拡
径管１ｃとすることは、金属管１内に工具を強制挿入し
た時に、工具の外面が金属管１の内径面と比較的均一に
接触し、■工程口の拡管加工後における管１の断面周方
向の伸びひずみが、断面周全の全域に亘りほぼ均一に分
布し、局所的にひずみが増大、集中するのを防止し、破
断により定まる拡管限界を同様に高めることができる。

また１回目の加工のさい、最終断面周長の９０〜９５％
程度まで拡管して置くのは、２回目以降の工程において
、所定乃至最終の異形断面形状への拡管を行なうに際し
、残りの５〜１０％程度の断面周方向の伸びひずみを与
え、寸法精度の向上を期するためである。また２工程目
以降の異形断面形状工具による拡管加工により、１回目
加工終了時に得られていたほぼ均一な断面周方向の伸び
ひずみ分布は、異形断面形状工具における断面形状の各
凸部が、金属管１の拡径管１ｃの内面に接触する部位で
ひずみが大きくなるといった不均一を生じるが、この時
の拡管率は前述のようにごく僅か（５〜１０％）である
ため、これが破断に至ることはないのであり、何れにも
せよ本発明の拡管方法によれば、金属管１の異形断面形
状の管２への拡管が、破断なくかつ大きな拡管率下に、
円滑かつ確実に得られるのである。

（実施例） 本発明による拡管方法の適切な実施例を、第１図乃至第
７図に亘って示す第１実施例、第８図乃至第１０図に亘
って示す第２実施例に分けてそれぞれ説示する。

第１実施例（第１図乃至第７図） 本発明において対象とする金属管１は、例えば冷間圧延
鋼板、熱間圧延鋼板のみならず、表面処理鋼板（例えば
メツキその他）、Ｔｉ板、Ｎ板、Ｃｕ板等、全ての金属
板から製造した有継目管、また無継目管等を包含するも
のとする。また金属管１の断面形状は一般的には円形断
面であることが多いが、円形断面以外の、例えば四角形
その他の多角形状のものも包含する。また本発明におけ
る目的とする異形断面形状とは円形以外の、例えば四角
形断面形状のような多角形を指すものであり、また金属
管１における拡管とは、前記した金属管１の内径面内に
、プレス等の圧力手段を介し、所定の断面形状を持った
ポンチ等（第１３ｂ図参照）による拡管工具を強制的に
挿入し、金属管１の断面形状における全体周長を増大さ
せることをいうものである。

厚さ１．２　ｍｍの高強度冷延鋼板を用い、直径φ３４
薗の円形断面の鋼管を電気誘導溶接により製造し、第１
図に示す金属管ｌとして用いる。造管後の機械的性質は
次の表１に示す通りである。

表１　実施例金属管１　（供試鋼管）の機械的性質管径
　　板厚　　ＹＰ　　　ＴＳ　　　ＥＩ！。

（ｍｍ）　　　（ｍｍ）　　（ｋｇｆ／ｍｎ”）　（ｋ
ｇｆ／ａｍ２）　　（％）φ３４　　１．２　　４５．
９　　　５０．４　　　３６．９この実施例においては
、第１図に示した円形断面の金属管ｌを、第２図に示し
た断面四角形の異形断面形状の内径面２ａを、その四角
形の各隅角部（コーナ）における適宜曲率（Ｒ４）の曲
面による凸部２ｂとともにもつ管２に拡管加工を行なう
に当り、１加工工程で拡管を完了することなく、少なく
とも２回以上の拡管加工工程を経由してその拡管を行な
うのであり、実施例では最少比の２回の加工工程で行な
うものを例示しており、第３図に示した金属管１を、先
ず１回目の拡管加工工程により、第４図に示すようにあ
る程度拡径した異形断面形状拡径管１ａとするのである
。即ち所要四角形断面形状を持つ拡管工具を金属管１内
に加圧下に強制挿入し、このさい同工具における各隅角
部（コーナ）の断面形状凸部を、同図の各２３点に接触
させることにより、この部分が適宜曲率（Ｒ１゜）の曲
面とされた凸部１ｂを持ち、かつある程度拡径された異
形断面形状拡径管１ａが得られるのであり、次いでこの
拡径管１ａに対し２回目の（最終回）拡管加工工程とし
て、所定（最終）の４角形状の異形断面形状をもつ拡管
工具を、拡径管ｌａ内に加圧強制挿入するのであり、こ
のさい同工具における断面形状凸部は、第１図の加工時
における１回目工具の凸部が接触した点Ｐ１・位置と異
なる点Ｐ２位置に接触させて、その拡管加工を行なうの
であり、これによって第２図に示した目的の管２を得る
ことになるのである。このさい１回目の拡管加工におい
ては、そのひずみ分布は断面形状凸部の接触した部分の
周方向伸びひずみが大きくなり、他の部分はひずみが小
さいという周方向に不均一なものとなり、２回目（最終
回）の拡管加工においては、更にその断面周長を増大し
た異形断面形状の拡管工具により拡管することになるが
、この時同工具における断面形状凸部の位置は１回目の
加工における凸部位置と異なっているので、１工程目で
ひずみが小さかった凸部以外の部位のひずみが２工程目
では大きくなり、Ｉ工程口の凸部は、２工程目にはひず
みの増加が小さく抑えられ、破断が発生しにくいのであ
る。この時、所定の最終異形断面形状に応じて工程数を
選択すればよいが、各工程で拡管工具における断面形状
凸部が、金属管１の内径面と接触する位置を変化させる
ことか重要であり、この本発明における第１実施例の手
段で、異形断面形状の拡管加工を行なえば、最終の断面
周方向の伸びひずみ分布は比較的に均一なものが得られ
るのである。

第６図は、本実施例における各工程での周方向における
ひずみ分布を示したものであり、同図において明らかな
ように、■工程口と２工程目とでは、そのひずみの発達
する部位が変化しており、２工程終了時には、周方向全
域に亘って比較的に均一なひずみ分布を呈し、破断を防
止できているのが確認される。第７図は比較のために、
第３図乃至第５図に示した拡管加工を、先に第１．３ｂ
図で示したエキスパンダポンチを用い、従来法で行なっ
たものにおける同様のひずみ分布を示したのであるが、
第７図により断面形状凸部（Ｒ部）のひずみが他の部分
に比べ著しく大きく、工程が進むとそれが更に助長され
、遂に破断に至っているのが明らかである。

また第１実施例で示した本発明方法と、ポンチ使用の従
来方法とによる本発明方法においての最小加工工程数で
ある２工程加工での限界拡管率の比較を次の表２に示す
。

表２　異形断面形状への拡管加工における限界拡管率（
２工程加工） （限界拡管率）％ 従来法　　　　　　　　　　２２％ 本見本発明法１実施例）３１％ 但し 限界拡管率（％） 被加工金属管の光断面周長 ×１００ 第２実施例（第８図乃至第１２図） 第２実施例に示したものは、その複数の加工工程におけ
る１回目の拡管加工において、第８図乃至第１０図に亘
って示されるように、円形断面形状の拡管工具を用いて
、金属管１をより大径の円形断面形状拡径管１ｃとする
点において、第１実施例と相違するのであり、第２回目
以降は第１実施例と同様であるため、ここでは異なる点
についてのみ詳細に述べる。金属管１は第１実施例と全
く同一のものであり、その機械的性質も第１実施例にお
いて示した表１と同一であり、ここには省略する。この
第２実施例においても、その異形断面形状への拡管加工
工程を少なくとも２工程以上とすることについては同一
であり、第２実施例においても２工程で拡管加工を完了
する最小工程数の場合を示している。即ち第８図に示し
た金属管ｌに対し、第９図に示すように、図示省略しで
あるが円形断面形状のポンチ等による拡管工具を同じく
プレス等の圧力手段下に強制挿入し、最終断面周長の９
０〜９５％程度まで拡管した円形断面形状拡径管１ｃに
拡管加工し、２回目（最終回）以降の拡管加工において
、第１０図に示すように、前記円形断面形状拡径管ｌｃ
内に、所定の四角形（コーナ部を曲率をもつ曲面による
凸部１ｂとすることを含む）断面形状の異形断面形状の
拡管工具（図示省略）を圧力下に強制挿入して、目的の
異形断面形状をもつ管２を得るのであり、第９図におい
て拡径管Ｉｃの径は、金属管１のφ３４に対し、φ４０
のように拡径される。この実施例のように１回目の加工
工程において、断面円形の拡径管１ｃとすることは、金
属管１内に拡管工具を強制挿入した時、工具外面が金属
管１の内径面と比較的均一に接触し、１工程目の拡管加
工後の断面周方向の伸びひずみが、断面周長の全域にほ
ぼ均一に分布することによって、局所的なひずみの増大
、集中を防止し、破断により定まる拡管限界をより高め
るだけである。

またこのさい最終断面周長の９０〜９５％程度までを拡
管するのは、２工程以降、異形断面形状工具によって第
１０図のように所定（最終）の異形断面形状への拡管に
当り、残りの５〜１０％の断面周方向の伸びひずみを与
え、寸法精度を向上させるためであり、２工程以降の異
形断面形状工具による拡管加工により、１工程終了時に
得られていたほぼ均一な断面周方向の伸びひずみは、異
形断面形状工具における断面形状凸部が、金属管１の内
径面に接触する部位で、ひずみが大きくなるといった不
均一を生じるが、この時の拡管率は５〜１０％程度のご
く僅かなものであるため、これが破断に至るおそれはな
い。即ち１工程目では円形断面形状の拡管工具により、
最終断面周長の９０〜９５％を拡管し、この時の外面周
方向の伸びひずみ分布はほぼ均一である。しかし２工程
以降に更に断面周長を増大した異形断面形状の拡管工具
により、残部の５〜１０％の拡管加工をするが、このさ
い工具における凸部が金属管１の内径面と接触する周面
ではひずみが増大し、１工程終了時にほぼ均一であった
断面周方向の伸びひずみ分布が僅かに不均一となるが、
拡管率が小さいので大きな不均一にならないので安全で
あり、更にこの工程においては僅かの拡管を行なうため
、寸法精度的にも良好な結果が得られる。またこのさい
１工程目の円形拡管終了時に、最終断面形状に近い形状
に拡大された円形断面形状をつぶしてもよく、この実施
例によっても、最終断面周方向の伸びひずみの分布は、
比較的に均一なものとなり、高い拡管限界まで拡管可能
である。第１１図に示したものは、前記した２工程によ
る実施例における各工程での周方向のひずみ分布を示し
たものであり、更に比較のために第８図乃至第１０図で
示した２工程の拡管加工を、先に第１３ｂ図において示
したエキスパンダポンチによる従来法で行なった場合の
周方向におけるひずみ分布を第１２図に示す。

両図を比較すれば明らかなように、本発明方法により拡
管した場合は、従来法によるものよりも、周方向の伸び
ひずみの分布は比較的より均一化されるのみならず、従
来法よりもひずみの最大値が従来法よりも小さいことが
判明する。

また従来法では、工具における断面形状凸部が、金属管
内面と接触する部位のひずみが他の部位よりも大きく、
周方向の伸びひずみ分布が不均一化し７．このためひず
みの最大値が大きく、遂に破断に至っていることが認め
られるのである。本実施例とポンチを使用する従来法と
における２工程加工での限界拡管率の比較を次の表３に
示す。従来法によればその限界拡管率は２２％と低いが
、本実施例によれば限界拡管率は３８％と、第１実施例
に比較しても、更に向上するのである。

表３　異形断面形状への拡管加工における限界拡管率（
２工程加工） （限界拡管率）％ 従来法　　　　　　　　　　２２％ 本全本発明法２実施例）３８％ （発明の効果） 本発明の拡管方法によれば、金属管を異形断面形状へ拡
管するに当り、その拡管加工工程として少゛なくとも２
工程以上の拡管加工工程を経由させるとともに、金属管
を円形断面形状または異形断面形状拡径管に予備加工し
て後、２工程目以降においてその最終異形断面形状への
拡管を行なうことにより、最終断面周長方向における伸
びひずみの分布を比較的より均一なものとし、破断のお
それなく、限界拡管率を顕著に向上させることができ、
より大きな拡管内容が確実かつ容易に得られ、拡管内容
に無理なく円滑かつ効率的に拡管作業を行なえる点、必
要部材や構造、装置の複雑化を必要としない点において
も優れたものであり、利用価値大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は素材金属管１例の斜面図、第２図は拡管体１例
の斜面図、第３図乃至第５図は本発明方法第１実施例の
工程プロセスの説明図、第６図は第１実施例による周方
向ひずみ分布図、第７図は従来法による同ひずみ分布図
、第８図乃至第１０図は同第２実施例の工程プロセス説
明図、第１１図は第２実施例による周方向ひずみ分布図
、第１２図は従来法による同ひずみ分布図、第１３ａ図
乃至第１３ｇ図は何れも従来の拡管法名例の説明図であ
る。 １・・・金属管、２・・・拡径管、１ａ・・・異形断面
形状拡径管、１ｂ・・・異形断面形状凸部、１ｃ・・・
円形断面形状拡径管。 第６ 因 第５ 優）が尤１ 第７７図 第１２ 図 ルー シｔｌｔル１ 第１３ｃ１図 第１３ｆ図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属管を円形以外の異形断面形状のもとに拡管す
   るに当り、拡管のための所要断面形状をもつ工具を金属
   管内に強制挿入して、かつ少なくとも２回以上の拡管加
   工工程を経由してその拡管を行なうとともに、１回目の
   拡管加工工程においては前記金属管を円形断面形状の拡
   径管または異形断面形状の拡径管に加工し、２回目以降
   の拡管加工工程において前記円形断面形状拡径管または
   異形断面形状拡径管内に、所定異形断面形状の拡管工具
   を挿入し、異形断面形状拡径管においては該工具におけ
   る断面形状凸部が、１回目の拡管加工時における異形断
   面形状工具における断面形状凸部の接触した管内面と異
   なる位置に接触され、両拡径管に対する最終断面形状を
   もつ拡管を行なうことを特徴とする金属管の拡管方法。
2. （２）１回目の拡管加工工程において、円形断面形状の
   拡管加工を行なうに当り、円形断面形状の拡管工具によ
   り、最終断面周長の９０〜９５％を拡管する請求項１記
   載の金属管の拡管方法。